基于虚拟仪器的钢丝绳故障监测系统的设计

摘 要：目前钢丝绳的故障监测手段存在效率低、可靠性差、更换浪费等现象，基于虚拟仪器技术的故障监测系统，可方便的实现钢丝绳数据的采集、处理、故障分析等，可实现钢丝绳断丝、截面积损伤等故障信息的综合判断。

关键词：钢丝绳损伤；虚拟仪器技术；故障监测

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.099

钢丝绳作为牵引、运输、提升物件设备中的核心构件，随着使用寿命的不断延伸，会发生如磨损、腐蚀、断丝等各种现象。钢丝绳一旦发生损伤情况，直接影响设备和人员的安全，导致事故的发生。因此做好钢丝绳的定期故障检测对安全生产尤为重要。

根据钢丝绳损伤的特性，钢丝绳的损伤分为截面积损失和断丝两种主要的损伤类型。长期以来，人们对于钢丝绳的故障检测多局限在人工目测和定期更换钢丝绳的方法来避免事故的发生，但是两种检测方法存在一定的缺陷，其中人工目测的检测手段可靠性差、效率低，根据数据统计，利用定期更换的检测方法70%更换下来的钢丝绳损耗程度并没有达到必须更换的程度，在一定程度上存在着浪费现象。因此，准确、可靠、实时的监测钢丝绳的使用情况在工程实践上具有十分重要的意义。

由此可见，针对钢丝绳的故障特点和实际监测需要开发一套专用的集数据采集、数据处理、故障分析为一体的钢丝绳故障监测系统在工程实际中是十分必要的。

1 系统整体框架设计

钢丝绳故障监测系统主要由数据采集、数据处理、故障分析、人机界面等部分组成，系统整体框架构成如图1所示。

钢丝绳损伤检测系统中对信号的采集和处理选用小波分析法对信号进行处理。在故障分析中将依据钢丝绳损伤的不同特点选取不同的处理方法，如钢丝绳截面积损伤选用电压幅值标定法，钢丝绳断丝损伤选用BP神经网络进行计算判定。人机界面的开发选用Labview软件。

2 监测信号处理方案

2.1 钢丝绳截面积损伤信号处理

截面积损伤信号的特点是，随着损伤程度的不断变化钢丝绳截面积将随之发生变化，因此在信号处理过程中采用主磁通检测的原理，利用钢丝绳截面积与磁感应强度的线性变化，即磁感应强度越强，钢丝绳截面积越大，损伤越小的原理对钢丝绳截面积损伤信号进行提取和分析。

2.2 钢丝绳断丝信号处理

钢丝绳断丝信号的特点是，频率成分复杂，含有许多的尖峰和突变[1]，这就希望在信号处理的过程中能够在多个频率段上滤除掉更多的干扰成分，最大限度的降低噪音，因此在信号处理的过程当中选用了在时域和频域中对信号都能够进行有效分解和重构功能的小波分析方法对断丝信号进行提取。

3 故障信号分析方案

3.1 钢丝绳截面积损伤信号分析

采用电压幅值標定的方法进行钢丝绳截面积损伤信号的分析，具体步骤为：需要预先设定一个电压标准值，电压标准值是假设钢丝绳没有被磨损时的传感器输出电压值，将与被测钢丝绳同等型号的未使用的新钢丝绳对应的电压值，作为系统电压的标准值。当进行钢丝绳截面积损伤识别时，首先对当前钢丝绳的电压检测值和电压标准值进行比较，若电压标准值大于当前电压值，则利用两者的差值与钢丝绳截面积的比值，作为钢丝绳截面积的损伤量，完成对钢丝绳截面积损伤的识别[2]。

3.2 钢丝绳断丝信号分析

钢丝绳断丝信号具有随机性，因此对采集到的断丝的信号进行处理的时候就不能够建立精确的数学模型，因此本系统在进行断丝信号分析的过程中采用具有较强自学能力和自适应性的BP神经网络方法建立定量的钢丝绳断丝损伤的判断。

将采集到的钢丝绳的数据信息通过小波分析后提取到的钢丝绳断丝信息作为BP神经网络的输入，通过BP神经网络自身的训练和学习来判断断丝的数量，进而实现对钢丝绳断丝数量的判断[3]。

4 人机界面设计

钢丝绳损伤监测系统的人机界面主要集成了用户输入、显示模块、故障报警等模块，实现钢丝绳损伤信号的监测。

在人机界面的软件设计中选用了图形编辑软件Labview进行编制，Labview采用G语言即无需任何复杂、繁琐的程序代码进行编写，即可轻松的搭建一个系统，同时Labview软件也具有易于学习、软件功能修改和扩展方便的特点[4]。

参考文献：

[1]李春华，王璐.基于BP神经网络的钢丝绳断丝检测系统[J].黑龙江科技学院报，2007，17（05）：47-50.

[2]李春华，王璐.小波分析与神经网络在钢丝绳断丝处理中应用[J]. 自动化仪表，2009，30（12）：61-64.

[3]王璐. 基于智能控制的钢丝绳探伤及检测系统的研究[D].哈尔滨：黑龙江科技学院硕士学位论文，2008

[4]冯强，李敬东，石晶.基于Labview的SMES检测系统[J].电子测量技术，2013，36（12）：71-75.endprint